您當前的位置：檢測資訊 > 科研開發
嘉峪檢測網 2024-07-03 08:14
選擇一個電流檢測電阻器很容易？通過簡單測量已知電阻兩端的電壓，然后應用歐姆定律和I=V/R(圖1)來確定電流，人們對這種基本功能寄予厚望。還有什么比這更簡單的嗎？
圖1 使用電阻器R和相關壓降V(B-C處)來測量電流I(從A到D)的原理很簡單，但也存在著一些必須承認的微妙之處。當電流在100毫歐范圍及以下時，通常使用四線高阻抗開爾文檢測。資料來源：Vishay Intertechnology via Eastern States Components
但事實上這一點也不簡單。首先是確定電阻值的問題。一方面，較大的值會增加其兩端的壓降，使讀數幅度更大，進而提高信噪比和分辨率精度。但是，使用較大的電阻值會浪費電能，并可能會影響回路穩定性，因為它會在電源和負載之間增加更多的“空閑”電阻，并導致電阻器自發熱增加。
因此，電阻值越低越好。在實踐中，許多設計人員會將電阻器的最大壓降設定為最高電流時的100mV，以此作為折衷點。但無論選擇什么值和相關的壓降，該電阻器的“最佳”值始終會受到爭論和非議，同時也要取決于電流檢測的優先事項。
IR壓降問題
顯而易見的IR壓降問題是兩個密切相關的問題中的第一個，而第二個問題則是在做了第一個決定后不可避免的結果。無論選擇的電阻值是多少，它都會產生電阻自發熱，這是一個隱蔽的潛在問題，特別是當檢測電阻器承載數安培及以上電流時。盡管標稱值較低(通常僅為毫歐)，但這是不可避免的：當有安培級的電流流動時，就會產生瓦特級的散熱。
其次，也是迫在眉睫的問題是，這種自發熱會改變檢測電阻器本身的標稱值，從而破壞感知到的電流值的讀數。
那么該怎么辦？除非電流在毫安或微安范圍內，自發熱很小，否則任何負責的設計人員都必須使用供應商提供的電阻溫度系數(TCR)數據來分析電阻變化，如圖2所示。請注意，此分析甚至可能是一個反復的過程，因為電阻變化可能會影響電流(取決于驅動電流進入負載的原因)，這反過來可能會影響自發熱，從而影響電阻。
圖2 鎳鉻合金電阻率與絕對溫度的函數關系顯示了典型的TCR情況，但每種材料都有其獨特的關系。資料來源：Topper Learning /Greycells 18 Media
TCR通常來說并不是一個可以忽略的小數字。它一般以每攝氏度百萬分之一(ppm/°C)為單位；一個標準的1%電阻的TCR約為幾千ppm/°C。總電阻變化是與電阻器元件中所用材料、額定功率和元件實際物理尺寸相關的函數。
電流檢測精度
總體電流檢測精度誤差的預算需要考慮三個因素：初始電阻容差、環境溫度變化引起的TCR誤差以及自發熱引起的TCR誤差。幸運的是，供應商會提供具有極低TCR的專用精密金屬箔電阻器。
它們通過在"秘方"中使用混合了銅、錳和其他元素的各種合金，以及管理并使用能最大限度降低TCR的生產技術來實現這一目標。例如，Bourns的CRL2010-FW-R015E為51mΩ、1%器件，TCR為±200ppm/°C(請參閱應用說明“Designer’s Guide to Chip Resistors, Chip Diodes and Power Chokes for Power Supplies and DC/SDC Converters”)。這是一種棘手的合金配方：例如，有些違反直覺的是，盡管標稱TCR高達4000ppm/°C，但銅經常被添加到混合物中，因為它可以改善整體散熱并減少自發熱。
為了在儀表應用中實現最終的精確測量，最低TCR的電阻器還附帶有電阻隨溫度變化的完全特性曲線，該曲線呈拋物線形狀，同時取決于合金組合。
雖然基本的TCR相關計算看似簡單，但任何高精度分析都必須考慮到TCR本身是非線性的(請參閱Vishay的技術說明“Non-Linearity of Resistance/Temperature Characteristic: Its Influence on Performance of Precision Resistors”)。高精度分析中還必須考慮電阻引線的TCR。
圖3 三種不同金屬箔電阻器(及其推出年份)的電阻-溫度特性顯示出了不同的TCR非線性。資料來源：Vishay Intertechnology
當然，某些應用并不需要非常高的精度，使用粗略的測量就可以了。對于這些情況，可以使用標準電阻器。但很多情況下確實會需要選擇合理的一致性、精度和電阻自發熱，而此時TCR很容易使推定的電流值誤差過大。
電流檢測選擇
設計人員必須決定是否使用成本較低的檢測電阻，這就需要接受或處理由此產生的TCR漂移影響，或者使用成本更高、TCR極低的器件，選擇瓦數更高、物理尺寸更大、TCR適中但耗散特性更好的電阻器，亦或是在電阻上添加一個微型散熱器。當然無論選擇哪種方法，毫無疑問都會在設計審查時被問到為什么不選擇其他方法。
盡管對于簡單的V=IR關系來說，它“只是一個電阻器”，但其影響可能是巨大的。在帶有大型電池組、光伏陣列或電機驅動器的電動汽車/混合動力汽車等系統中使用不準確的電流值，可能會導致無法解釋的行為、不達標的性能和效率，甚至造成危險。。
您是否遇到過由于電流檢測電阻TCR、環境溫度變化和電阻自發熱而導致的意外問題？您在設計中是如何解決它的？您最終是否采用了非電阻電流檢測解決方案？
作者：BILL SCHWEBER， 來源：EDN姊妹網站Planet Analog
參考原文：Current-sense resistor brings two related and challenging tradeoffs，由Ricardo Xie編譯。
來源：Internet
